JPH1055027A

JPH1055027A - 投射型表示装置

Info

Publication number: JPH1055027A
Application number: JP8229382A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Hamada; 勉浜田; Kazuhiro Sakasai; 一宏逆井; Kenichi Kobayashi; 健一小林; Keiji Fujimagari; 啓志藤曲
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 1996-08-12
Filing date: 1996-08-12
Publication date: 1998-02-24

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、１フレームの画像を複数フィールド
に分割して表示させる投射型表示装置に関し、画素数の
少ない光変調素子を用いても光の透過率やコントラスト
を低下させずに簡単な構成で時分割表示を行い、高解像
度で画像を表示できる投射型表示装置を提供することを
目的とする。【解決手段】マイクロレンズアレイ５は、光変調素子３
から投射レンズ７に至る光路上に配置され、光変調素子
３の４画素に対応して１つの凸レンズが形成されてい
る。結像光学系４は、光変調素子３からの光を対応する
マイクロレンズに入射させるために配置されている。ア
クチュエータ６は、マイクロレンズアレイ５に入射する
光の光軸に直交する水平／垂直方向にマイクロレンズア
レイ５を移動又は振動させることができるようにように
構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光変調素子に表示
された画像を拡大投射して大画面表示を得る投射型表示
装置に関し、特に１フレームの画像を複数フィールドに
分割して表示させる投射型表示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の代表的な投射型表示装置の概略の
構成を図９に示す。図９において１は光源、３は光変調
素子、７は投射レンズ、９はスクリーンである。投射型
表示装置の光変調素子３には透過型液晶パネルが用いら
れている。光源１には可視光の領域で比較的均一なスペ
クトルを持つメタルハライドランプまたはハロゲンラン
プなどが用いられている。リフレクタなどで集光された
光源１の光に液晶パネルなどの光変調素子３を用いて画
像信号に応じた光変調を行って画像を形成している。形
成された画像は投射レンズ７でスクリーン９上に拡大投
射されて表示される。

【０００３】投射型表示装置は、投射レンズにより画像
を拡大投射するので他の表示装置と比較して大面積表示
が可能であるが、反面、解像度が低いという問題を有し
ている。投射画像の解像度は光変調素子の画素数とスク
リーンの大きさによって決まる。スクリーン上に高解像
度で表示させるには、光変調素子の画素数を増やす必要
があるが、画素を高密度化すると製造歩留りが低下して
コスト高となる。例えば、ＳＸＧＡ（１２８０×１０２
４）の画素数の光変調素子は、ＶＧＡ（６４０×４８
０）の画素数の光変調素子に比較して１０倍程度の価格
になってしまう。また、１画素当たりの開口率（１画素
に対する光を透過する有効面積の割合）は画素の高密度
化に伴い低下するので所望の明るさの画像を得ることが
困難になる。このように、画素の高密度化と画像の明る
さとは相反する条件であるので、単なる光変調素子の画
素の高密度化では高画質の画像を得ることができない。

【０００４】この問題を解決するために、複数の光変調
素子を用いて投射する方法がある。複数の光変調素子を
用いる方法は、例えば表示装置にＣＲＴ（カソード・レ
イ・チューブ）を用いたマルチビジョンのように複数の
表示ユニットを用いて複数の画像を縦横に並べて表示さ
せる。しかしながらこの方法では複数の表示ユニットを
用いているため、各表示ユニットの接続部において画面
を連続にすることができず境界が目立ってしまうという
問題がある。また、複数の表示ユニットを全く同一の表
示特性で作製するのは困難であるから、表示ユニットご
との明るさにむらができてしまい、表示ユニット間の継
ぎ目が目立ってしまうという問題も有している。

【０００５】この問題を解決するために、複数の表示ユ
ニットを用いて１つの画像を重畳して表示する方法が知
られている。特開平３−１６６５３６号公報に記載され
た投射型表示装置は、原画像の表示データを任意にサン
プリングして分割する画像分配機能部と、複数の表示機
能部と、各表示画像を光学的に合成して原画像を合成表
示する画像合成機能部と、合成像を投射する投射機能部
とを備えている。図１０にその基本構成を示す。図１０
において、７は投射レンズ、１３は複数の光源からなる
光供給部、１４は複数の透過型液晶パネルからなる光変
調素子群、１５は光変調素子群１４によって表示される
画像を合成して投射レンズ７に入射させる光学デバイス
である。例えば４つの透過型液晶パネル１４を用いて重
畳表示を行う場合には、各透過型液晶パネル１４の各画
素の開口率を２５％程度にして水平方向と垂直方向に半
画素ピッチずつずらして投射することにより、４倍の解
像度の画像が得られるようにしている。図１１（ａ）〜
（ｄ）に示すような４つの画像について、図１１（ｂ）
の画像は図１１（ａ）の画像に対して水平方向に半画素
ピッチずらし、図１１（ｃ）の画像は図１１（ａ）の画
像に対して垂直方向に半画素ピッチずらし、図１１
（ｄ）の画像は図１１（ａ）の画像に対して水平方向と
垂直方向に半画素ピッチずらすようにして投射すれば、
図１１（ｅ）に示すような４倍の解像度を持つ画像が得
られる。このように重畳表示を行うことにより複数の表
示ユニットの表示特性の不均一性を目立たなくさせるこ
とができる。しかし、相互に半画素ピッチずつずらして
投射させるための光学系の調整が困難である点と、複数
の表示ユニットを使うので構成が複雑でコストが高くな
るという点で問題を有している。

【０００６】他の高解像度化の手段として、１つの光変
調素子を用いて時分割表示を行う方法がある。時分割表
示は複数のフィールドを時系列で表示させて１フレーム
（１画面）を形成する方法である。例えば、特開平４−
１１３３０８号公報に記載された投射型表示装置は、光
変調素子からスクリーンに至る光路の途中に透過光の偏
光方向を旋回させる素子と、複屈折効果を有する透明素
子を用いて投射画像をシフトする手段と、スクリーン上
で離散的に投射される手段を備えている。図１２に投射
表示装置の基本構成を示す。図１２において、１は光
源、３は表示用液晶パネルからなる光変調素子、１６は
偏光方向制御用液晶パネル、１７は水晶板、７は投射レ
ンズ、９はスクリーンである。複屈折効果を有する透明
素子として水晶板１７が用いられている。この方法で
は、１フレーム分の画像データを分割してフレームメモ
リに格納し、投射画像をシフトさせる手段と同期させて
画像を表示することにより時分割表示を行っている。さ
らに、光変調素子の画像を離散的にする手段を用い、離
散化した画像を補間するように画像を時系列でシフトさ
せて高解像度の表示を行っている。

【０００７】画像を離散的にする手段には、画素の一部
を遮光して実効的な開口率を低下させる手段と、１画素
に対応したマイクロレンズを用いて集光する手段とがあ
る。画素の一部を遮光する手段は、例えば、各画素に設
けられているスイッチング素子の配線などの配置を工夫
して光の透過領域を減少させることにより、画素の光透
過領域を離散的にしている。一方、１画素に対応したマ
イクロレンズを用いて集光する手段は、画素から出射し
た光を集光することにより、光量を減少させることなく
実質的に画像を離散化している。

【０００８】投射画像をシフトさせる手段には複屈折効
果が利用されている。光学異方性を有する結晶を用い、
常光と異常光の屈折角の相違により画像をスクリーン上
でシフトさせるようにする。ここではＴＮ（ねじれネマ
ティック）液晶を用い直線偏光の光を９０度回転させて
複屈折効果を持つ透明素子に対する常光と異常光を切り
替えている。複屈折効果を持つ透明素子に対して垂直に
入射した常光は直進するが、異常光は入射面で所定角度
だけ屈折し、出射面で反対側に同じ角度だけ屈折する。
この効果により、異常光は常光に対して透明素子の厚み
に応じた距離だけシフトすることになる。そこで、画素
ピッチに応じた距離（画素ピッチの１／２）だけシフト
するように透明素子の厚みを設定すれば、離散的に形成
された画像を補間するシフト量を得ることができる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上記の時分割表示で
は、少なくとも離散的に投射する手段と画像をシフトさ
せる手段としての偏光方向旋回素子及び複屈折効果を有
する透明素子が必要である。偏光方向旋回素子及び複屈
折効果を有する透明素子を１組使用することにより、水
平方向又は垂直方向に２つのフィールドに分割した表示
を行えるが、水平方向又は垂直方向にさらに多くのフィ
ールドに分割して表示させる場合や、水平方向、垂直方
向共に２つのフィールドに分割した表示を行う場合、或
いは水平、垂直方向共にさらに多くのフィールドに分割
して表示させる場合には、偏光方向旋回素子及び複屈折
効果を有する透明素子が複数組必要になってしまい、こ
れら複数の素子構成が複雑になってしまうという問題点
を有している。

【００１０】また、画像を離散的にする手段として画素
の一部を遮光する方法は、従来の液晶パネルに若干の変
更を加えるだけで容易に作製することが可能であるため
構成が複雑になることはないが、画素の一部を遮光して
光の透過領域を減少させるのであるから、画像が従来の
液晶パネルと比較して暗くなってしまう。

【００１１】また、画像をシフトさせる手段として複屈
折効果を利用しているが、複屈折効果を利用するには光
変調素子からの出射光が直線偏光でなければならない。
自然光を直線偏光に変換するには偏光板が必要である
が、光は偏光板で約６０％吸収されてしまい、４０％程
度しか透過されない。さらに、偏光方向の旋回手段とし
て液晶素子を用いているので、当該液晶素子での光の透
過率が問題となる。偏光方向旋回手段の液晶素子は、透
明電極が形成された２枚のガラス基板で液晶を挟んで構
成されている。透明電極の光の透過率は１枚当たり９０
％程度なので、２枚で８０％程度の透過率となる。さら
に、液晶自体及び、ガラス基板、水晶板などの透過率も
考慮すると、偏光方向旋回手段での光の透過率はさらに
低くなり、約６５％程度になってしまう。また、水平方
向と垂直方向ともに高解像度化を行なう場合には、偏光
方向旋回手段と水晶板のセットが２組必要となるため、
さらに光の透過率は低下して約４０％程度になってしま
う。従って自然光を直線偏光に変換する偏光板及び偏光
方向旋回手段を透過する光の透過率は約１５〜２０％程
度となってしまい、高解像度化が可能になる反面光の利
用効率が極端に低下して暗い画像しか得られない。

【００１２】また、光の旋回手段としてＴＮ液晶を用い
ているが、その応答性が問題となる。ＴＮ液晶は電圧の
オン・オフにより分子の配向方向を切り替えており、そ
の応答性（切り替え時間）は数ミリ秒である。時分割表
示を行う場合に１フレーム（１／６０〜１／３０秒）を
複数フィールドで分割すると、１フィールド当たり数〜
十数ミリ秒となるので、ＴＮ液晶を用いた場合は偏光方
向の切り替え時間が１フィールド内の数十％を占めるこ
とになってしまう。結果として画像のコントラストが低
下してしまうという問題が生じる。

【００１３】本発明は、上述の従来の技術が有する問題
を解決するためになされたものであって、その目的は、
画素数の少ない光変調素子を用いても光の透過率やコン
トラストを低下させずに簡単な構成で時分割表示を行
い、高解像度で画像を表示できる投射型表示装置を提供
することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的は、複数の画素
を有する光変調素子で表示される画像を投射手段により
スクリーン上に拡大投射する投射型表示装置において、
光変調素子からスクリーンに至る光路上に位置し、スク
リーン上の画像が複数画素毎に分離されるように、光変
調素子の複数の画素のうち隣接する（ｉ×ｊ）画素から
の出射光をそれぞれの口径内に含む複数の凸レンズを隣
接配置したマイクロレンズアレイと、光変調素子とマイ
クロレンズアレイとの間に位置し、光変調素子からの出
射光を集光させてマイクロレンズアレイに結像させる結
像光学系と、マイクロレンズアレイによりスクリーン上
で分離された画像を補間するように、スクリーン上の画
像投射領域を変更して光変調素子で表示される画像を投
射させる投射領域変更手段とを備え、複数のフィールド
で１フレームを構成する時分割表示を行うことを特徴と
する投射型表示装置によって達成される。

【００１５】また上記目的は、光源からの光を複数の色
の光に分離する色分離手段と、分離された複数の色の光
をそれぞれ変調する複数の画素を有する複数の光変調素
子と、変調された複数の色の光を合成する色合成手段
と、複数の光変調素子で表示されたカラー画像をスクリ
ーン上に拡大投射する投射手段とを有する投射型表示装
置において、色合成手段からスクリーンに至る光路上に
位置し、スクリーン上の画像が複数画素毎に分離される
ように、光変調素子の複数の画素のうち隣接する（ｉ×
ｊ）画素からの出射光をそれぞれの口径内に含む複数の
凸レンズを隣接配置したマイクロレンズアレイと、色合
成手段とマイクロレンズアレイとの間に位置し、複数の
光変調素子からの出射光を集光させてマイクロレンズア
レイに結像させる結像光学系と、集光手段によりスクリ
ーン上で分離された画像を補間するように、スクリーン
上の画像投射領域を変更して光変調素子で表示される画
像を投射させる投射領域変更手段とを備え、複数のフィ
ールドで１フレームを構成する時分割表示を行うことを
特徴とする投射型表示装置によって達成される。

【００１６】上記投射型表示装置の結像光学系は、複数
のレンズを有し、入射する平行光を平行光として出射さ
せるアフォーカル光学系であることを特徴としている。
また、上記投射型表示装置の投射領域変更手段は、マイ
クロレンズアレイに入射する光の光軸に直交する面内
で、光変調素子に供給されるフィールド信号に同期して
マイクロレンズアレイを所定の移動変化量で移動させる
ことを特徴としている。所定の移動変化量は、光変調素
子の画素ピッチの整数倍に結像光学系の倍率を乗じた量
であることを特徴としている。

【００１７】

【発明の実施の形態】本発明の第１の実施の形態による
投射型表示装置を図１乃至図７を用いて説明する。本実
施の形態における投射型表示装置は、表示用液晶ライト
バルブなどの光変調素子の画素数を増やすことなく投射
表示画像を高精細化させるために、スクリーン上で複数
画素ごとに画像を分離する光変調素子の隣接する複数画
素からの出射光をそれぞれの口径内に含む複数の凸レン
ズのマイクロレンズを隣接配置したマイクロレンズアレ
イと、マイクロレンズアレイによりスクリーン上で分離
された画像を補間するように光変調素子による表示画像
を投射する投射領域変更手段とにより、光変調素子から
の出射光を離散的に縮小し、離散的にされた間隙部を補
間することにより時分割表示を行うことを基本としてい
る。そして、光変調素子で表示される画像をマイクロレ
ンズアレイに結像させる結像光学系を備えている点に特
徴を有している。本実施の形態による投射型表示装置で
は、光源、集光光学部品、２次元状に配列された多数の
画素で構成されている表示用液晶ライトバルブなどの光
変調素子、投射レンズなどの従来の投射型表示装置に用
いられている構成部品に加え、光変調素子から投射手段
に至る光路上に、光変調素子に表示された画像をマイク
ロレンズアレイに結像する結像光学系と光変調素子から
の出射光を複数画素ごとに集光し離散的に縮小するマイ
クロレンズアレイを有し、離散的に縮小された間隙部を
光変調素子に供給するフィールド信号に同期させてマイ
クロレンズアレイを入射光軸に直交する面で移動させる
ことにより間隙部画像の補間をして表示画像の多画素化
／高精細化を図っている。さらに本実施の形態における
投射表示装置においては、光変調素子からスクリーンに
至る光路上に光吸収を伴う光学系が存在しないため、多
画素化／高精細化を行っても明るい画像が得られる。

【００１８】本実施の形態においては、光変調素子の隣
接する複数画素のそれぞれを４画素とし、当該４画素か
らの出射光を口径内に含む複数の集光光学素子が凸レン
ズである場合について説明する。図１は本実施の形態に
おける投射型表示装置の基本構成図、図２は本実施の形
態において用いられるマイクロレンズアレイの斜視図、
図３及び図４は本実施の形態における光変調素子と凸レ
ンズとの位置関係を示す説明図であり、図３は光変調素
子と凸レンズとの位置関係を示す平面図、図４は光変調
素子から投射レンズ物体面までの光軸に平行な面の図３
Ａ−Ａ’での断面図である。図５は１画面を４つの画像
に分割した場合の投射レンズ物体面での入射光束の位置
関係を示したものである。図６は結像光学系がない場合
の光変調素子とマイクロレンズアレイの位置関係を示す
図であり、図７は結像光学系を挿入した場合の各素子の
位置関係を示す図である。

【００１９】図１において、１は光源、２は光源からの
光を平行光に変換するためのコリメート変換レンズ、３
は２次元状に配列された多数の画素で構成されている光
変調素子、４は光変調素子で表示される画像をマイクロ
レンズアレイに結像させる結像光学系、５はマイクロレ
ンズアレイ、６は圧電素子からなるアクチュエータ、７
は投射レンズ、８は投射レンズ７の物体面、９はスクリ
ーンである。マイクロレンズアレイ５は、光変調素子３
から投射レンズ７に至る光路上に配置され、光変調素子
３の４画素に対応して１つの凸レンズが形成されてい
る。結像光学系４は光変調素子３からの光を、対応する
マイクロレンズに入射させるために配置されている。ア
クチュエータ６は、マイクロレンズアレイ５を垂直方向
（紙面上下方向）に振動させるアクチュエータ６ａ１、
６ａ２と水平方向（紙面法線方向）に振動させるアクチ
ュエータ６ｂ１、６ｂ２（図示せず）とから構成されて
いる。光変調素子３に供給するフィールド信号に同期さ
せてアクチュエータ６を駆動させることにより、マイク
ロレンズアレイ５に入射する光の光軸に直交する水平／
垂直方向にマイクロレンズアレイ５を移動又は振動させ
ることができるようになっている。

【００２０】本実施の形態で用いた光変調素子３は、ｐ
ｏｌｙ‐ＳｉＴＦＴ（多結晶シリコンをチャネル層に用
いた薄膜トランジスタ）を用いたアクティブ・マトリク
ス方式の液晶ライトバルブである。液晶ライトバルブの
液晶材料には偏光板を必要としない液晶高分子複合体
（ＬｉｑｕｉｄＣｒｙｓｔａｌＰｏｌｙｍｅｒＣ
ｏｍｐｏｓｉｔｅ）を用いている。光変調素子３の画素
数はｍ×ｎであり、画素ピッチｐは水平、垂直ともに一
般的な値である５０μｍである。

【００２１】図２に示すマイクロレンズアレイ５は、例
えばイオン交換法を用いて形成される。これは、ある種
のイオンを透明なガラス基板の中に拡散させて屈折率の
異なる層を形成しレンズ効果として利用するものであ
る。このマイクロレンズアレイ５は、４つの画素から出
射した光束をできるだけ多く集光するように設計され１
００μｍピッチで形成された多数の凸レンズで構成され
ている。マイクロレンズアレイ５の大きさは光変調素子
３とほぼ同じ大きさで形成できるので、その重量は数グ
ラム程度にすることができる。

【００２２】アクチュエータ６は高歪率圧電セラミック
材料からなる積層型の圧電素子を用いている。アクチュ
エータ６をマイクロレンズアレイ５の側面に接着し、光
変調素子３に供給するフィールド信号に同期させて電圧
を印加することにより、マイクロレンズアレイ５に入射
する光の光軸に直交する水平／垂直方向にマイクロレン
ズアレイ５を移動変化させることができる。

【００２３】本実施の形態におけるマイクロレンズアレ
イ５とアクチュエータ６により画像をシフトさせ高精細
な画像を表示する動作を図３乃至図５を用いて説明す
る。本実施の形態においては１画面（フレーム）を４つ
の画像（フィールド）に分割して表示する。なお、各マ
イクロレンズの実際の平面形状は図２で示したように４
つの画素全体を口径内に含む矩形状であるが、図３及び
図５の平面図においては各マイクロレンズの位置を明確
にするため実線或いは破線の円形状で各マイクロレンズ
を示している。

【００２４】さて、第１のフレームの第１のフィールド
では、光変調素子３の画素とマイクロレンズとの相対位
置は図３（ａ）に示すようになっている。例えばマイク
ロレンズ５ａの中心軸は光変調素子３の画素、、
、の交点の位置にあり、画素、、、からの
出射光は１つのマイクロレンズ５ａにより集光される。
図４に示すように、光変調素子３の画素及びからの
出射光１０１、１０２は、結像光学系４により倒立像と
してマイクロレンズアレイに入射し、マイクロレンズア
レイ５により集光された出射光１０１’、１０２’とな
り投射レンズ７に入射する。このとき、投射レンズ７の
物体面８は光変調素子３からの光が略１／４に集光され
た位置とする。投射レンズ７の物体面８での表示画像は
図５（ａ）に示すように水平／垂直方向にそれぞれ間引
かれた状態、即ち離散的に縮小された状態となる。

【００２５】次に第２のフィールドでは、フィールド信
号に同期して垂直方向に振動するアクチュエータ６ａ
１、６ａ２により、マイクロレンズアレイ５に入射する
光の光軸に直交する面内で垂直方向にマイクロレンズア
レイ５を移動させる。マイクロレンズ５ａの中心軸は光
変調素子３の画素、、、の交点の位置、即ち図
３（ｂ）の位置に移動する。ここで図３（ａ）の位置か
ら図３（ｂ）の位置までのマイクロレンズアレイ５の移
動量は光変調素子３の画素ピッチｐと同じ５０μｍであ
る。このとき、図４に示すように光変調素子３の画素
及びからの出射光１０１、１０２は、結像光学系４に
より倒立像としてマイクロレンズアレイ５に入射し、マ
イクロレンズアレイ５により集光されて出射光１０
１”、１０２”となり投射レンズ７に入射する。投射レ
ンズ７の物体面８では図５（ｂ）の位置に集光されてお
り、マイクロレンズアレイ５により第１のフィールドで
離散的に縮小された垂直方向の間隙部が第２のフィール
ドで補間されたことになる。

【００２６】次に第３のフィールドでは、フィールド信
号に同期して水平方向に振動するアクチュエータ６ｂ
１、６ｂ２によりマイクロレンズアレイ５に入射する光
の光軸に直交する面内で水平方向にマイクロレンズアレ
イ５を移動させる。マイクロレンズ５ａの中心軸は光変
調素子３の画素、、、の交点の位置、即ち図３
（ｃ）の位置に移動する。ここで図３（ｂ）の位置から
図３（ｃ）の位置までのマイクロレンズアレイ５の移動
量は光変調素子３の画素ピッチｐと同じ５０μｍであ
る。この結果、光変調素子３からの出射光は、投射レン
ズの物体面８で図５（ｃ）の位置に集光されており、マ
イクロレンズアレイ５により第２のフィールドで離散的
に縮小された水平方向の間隙部を第３のフィールドで補
間したことになる。

【００２７】次に第４のフィールドでは、フィールド信
号に同期して垂直方向に振動するアクチュエータ６ａ
１、６ａ２によりマイクロレンズアレイ５に入射する光
の光軸に直交する面内で垂直方向にマイクロレンズアレ
イ５を移動させる。マイクロレンズ５ａの中心軸は光変
調素子３の画素、、、の交点の位置、即ち図３
（ｄ）の位置に移動する。ここで図３（ｃ）の位置から
図３（ｄ）の位置までのマイクロレンズアレイ５の移動
量は光変調素子３の画素ピッチｐと同じ５０μｍであ
る。この結果、光変調素子３からの出射光は、投射レン
ズ７の物体面８で図５（ｄ）の位置に集光されており、
マイクロレンズアレイ５により第３のフイールドで離散
的に縮小された垂直方向の間隙部、即ち第１のフイール
ドで離散的に縮小された水平方向の間隙部を第４のフイ
ールドで補間したことになる。

【００２８】以上の第１、第２、第３及び第４のフィー
ルドによって、１フレーム全ての画像情報が図５（ｅ）
に示すように投射レンズ７の物体面８即ちスクリーン９
で形成され、精細度の低い光変調素子３を用いて精細度
の高い表示が実現できる。

【００２９】次に第２のフレームの第１のフィールドで
は、フィールド信号に同期して水平方向に振動するアク
チュエータ６ｂ１、６ｂ２によりマイクロレンズアレイ
５に入射する光の光軸に直交する面内で水平方向にマイ
クロレンズアレイ５を移動させる。マイクロレンズ５ａ
の中心軸は光変調素子３の画素、、、の交点の
位置即ち図３（ａ）の位置に移動する。ここで図３
（ｄ）の位置から図３（ａ）の位置までのマイクロレン
ズアレイ５の移動量は光変調素子３の画素ピッチｐと同
じ５０μｍである。この結果、光変調素子３からの出射
光は、投射レンズ７の物体面８で図５（ａ）の位置に集
光され、第１のフレームの第１のフィールドと同じ位置
に戻る。以下第１のフレームと同様に離散的に縮小され
た水平／垂直方向の間隙部を補間することにより、（ｍ
×ｎ）画素を持つ光変調素子３を用いて４×（ｍ×ｎ）
画素を持った高精細度の表示が実現される。

【００３０】ここで、図６及び図７を用いて結像光学系
４の作用を詳細に説明する。まず図１に示したように、
光源１から出射された光はコリメート変換手段２により
コリメート変換され、光変調素子３に入射し、画像信号
に応じた光変調が行われる。光変調素子３で変調された
４画素毎の出射光は、結像光学系４によりマイクロレン
ズアレイ５の各マイクロレンズに入射する。このとき結
像光学系４が挿入されていないと仮定すると図６（ａ）
に示すように、光変調素子３の所定の４画素からの出射
光のうち平行光でない一部の光が、入射すべきマイクロ
レンズに入射せずに隣接するマイクロレンズに入射して
しまうことになる。その結果、投射レンズ７の物体面８
では、図６（ｂ）に示すように、本来入射すべきマイク
ロレンズによって集光される位置から離れた位置に各画
素の一部が集光され、スクリーン上で本来の表示位置か
ら離れて表示されてしまう。図６（ｂ）は、マイクロレ
ンズアレイ５の図中中央のマイクロレンズで集光される
べき画素の一部が、周囲の隣接するマイクロレンズによ
ってそれぞれ集光されてしまっている状態を示してい
る。このような状態では、スクリーン上で本来表示され
るべき画像と異なる画像が表示されることになるから表
示画像のコントラストが低下してしまうことになる。光
変調素子３からの出射光が理想的な平行光でない場合で
も、本実施の形態のように光変調素子３からマイクロレ
ンズに至る光路上に結像光学系４を配置することによ
り、光変調素子３の４画素からの出射光の全てを所定の
１つのマイクロレンズに入射させることができるように
なる。本実施の形態の結像光学系４は、実像に対して１
対１の倒立像を形成する光学系である。図７（ａ）は本
実施の形態による結像光学系４を用いた結像の様子を示
す。ｆはレンズの焦点距離である。光変調素子３からの
出射された平行光は、マイクロレンズアレイ５に平行に
入射させる必要があるので、結像光学系４は少なくとも
２つのレンズを組み合わせて構成されるアフォーカル光
学系を用いている。光変調素子３の４画素から出射され
た光は結像光学系４により、１つのマイクロレンズに入
射する。理想的な平行光でない光変調素子３からの光
は、マイクロレンズに入射する角度がずれるので、マイ
クロレンズで集光される位置がずれる。その結果、図７
（ｂ）に示すように、投射レンズの物体面８では中央の
マイクロレンズで集光される画素は少し広がった形にな
るが、図６（ｂ）に示した、隣接する周囲のマイクロレ
ンズに別の画素の一部が表示されるようなことはないの
で、画像のコントラストを低下させることはない。

【００３１】本実施の形態においては、結像光学系４は
１対１の倒立像を形成する光学系であったが、それ以外
にｋ倍の像を形成する光学系であても、１／ｋ倍の像を
形成する光学系であってもよい。結像光学系４がｋ倍の
像を形成するのであればマイクロレンズの大きさはｋ倍
になり、その移動量は光変調素子３の画素ピッチｐのｋ
倍となる。結像光学系４が１／ｋ倍の像を形成するので
あればマイクロレンズの大きさは１／ｋ倍になり、その
移動量は光変調素子３の画素ピッチｐの１／ｋ倍とな
る。

【００３２】本実施の形態では隣接する４つの画素を時
分割で表示しているが、通常のテレビジョン画像の１フ
レーム期間（１／３０ｍｓｅｃ）程度の短時間内に４つ
のフィールド画像を表示すれば、人間の目はその残像効
果により１枚の高精細な画像として見ることができる。

【００３３】従来の投射型表示装置では光変調素子３の
画素数で決まる解像度でしかスクリーン９上に表示する
ことができなかったが、本実施の形態によれば水平／垂
直解像度を光変調素子３の画素数で決まる解像度のそれ
ぞれ２倍の解像度で表示することが可能となる。画像を
離散的にする手段としてマイクロレンズアレイ５を用い
ているため、光変調素子３からの出射光を遮光させる手
段のように光の利用効率を落とすことはない。また、間
隙部の補間をアクチュエータ６による機械的な振動によ
り行わせているので、偏光板や画像をシフトさせるため
の偏光方向を旋回させる液晶パネル等の光吸収を伴う光
学系が光変調素子３から投射レンズ７に至る光路上に存
在しないため、光の利用効率を低下させずに明るく高精
細な画像を表示できるようになる。また、光変調素子３
からの出射光を結像光学系４を用いてマイクロレンズア
レイ５に入射させるので、スクリーン上で各画素の画像
の一部が他の画素の画像と重ならず、画像のコントラス
トを低下させない拡大表示を行うことができる。

【００３４】本実施の形態において、光変調素子３の４
画素（２×２画素）に対応した複数のマイクロレンズか
らなるマイクロレンズアレイ５を用いて４つのフィール
ドで１フレームを形成するような構成としたが、９画素
（３×３画素）や１６画素（４×４画素）、或いは６画
素（２×３画素）や１２画素（３×４画素）など（ｉ×
ｊ）画素に対応した複数のマイクロレンズからなるマイ
クロレンズアレイ５を用いて（ｉ×ｊ）フィールドで１
フレームを形成する構成としてもよい。このとき、アク
チュエータ６によるマイクロレンズアレイ５の１つのフ
ィールド信号に対する水平／垂直方向の移動量Ｌｈ、Ｌ
ｖは、複数画素に対応するマイクロレンズの水平方向に
対応する画素数をｉ、垂直方向に対応する画素数をｊと
し、水平方向の画素ピッチをｐｈ、垂直方向の画素ピッ
チをｐｖとしたとき、画素ピッチｐｈ、ｐｖの整数倍でｐｈ≦Ｌｈ≦（ｉ−１）×ｐｈｐｖ≦Ｌｖ≦（ｊ−１）×ｐｖの範囲にある。これは、結像光学系４が１：１の像を形
成する場合である。

【００３５】また、本実施の形態において、アクチュエ
ータ６は高歪率圧電セラミック材料からなる積層型の圧
電素子を用いたが、光変調素子３に供給するフィールド
信号の周波数に同期させてマイクロレンズアレイ５に入
射する光の光軸に直交する面内でマイクロレンズアレイ
５を光変調素子３の画素ピッチｐの整数倍移動変化させ
ることができる手段であればよい。光変調素子３に供給
するフィールド信号の周波数は数１０Ｈｚ〜数１００Ｈ
ｚであるから、アクチュエータ６には電磁アクチュエー
タ、リニアアクチュエータ、ステッピングモータなどを
用いることもできる。

【００３６】また、マイクロレンズアレイ５を振動させ
る代わりに投射レンズ７を移動変化させても同様の効果
を得ることができる。この場合は１つの画面（フレー
ム）を複数の画像（フィールド）に分割した際の各画像
におけるスクリーン９上での画素位置が、集光手段を移
動変化させた場合と異なる。投射レンズ７のどのレンズ
を移動変化させても同一の効果が得られるが、最軽量の
レンズを移動変化させることが望ましく、一般的には後
玉のレンズを移動変化させることが好ましい。

【００３７】本実施の形態では複数画素に対応したマイ
クロレンズアレイ５を移動変化させたが、光変調素子の
隣接する複数画素からの出射光をそれぞれの口径内に含
む複数の集光光学素子を隣接配置した集光手段と、集光
手段により離散的にされた投射画像を補間するように投
射領域を変更する手段があればよいので、例えば文献
（佐藤進；液晶を利用した焦点可変レンズ，光技術コン
タクト，Ｖｏｌ３２，Ｎｏ．１１，ｐ．２４〜ｐ．２
８，１９９４）に開示されているような液晶レンズを利
用し、フィールド信号に同期させて選択的に電圧を印加
してレンズの形成位置を変化させるようにしてもよい。

【００３８】次に本発明の第２の実施の形態による投射
型表示装置を図８を用いて説明する。本実施の形態のお
ける投射型表示装置は、光変調素子を３個用いてカラー
表示を行うことを特徴としている。図８は本実施の形態
における投射型表示装置の基本構成図である。

【００３９】図８において、１は光源、２は光源からの
光を平行光に変換するためのコリメート変換レンズ、３
ａ〜３ｃは光変調素子、４は結像光学系、５はマイクロ
レンズアレイ、６は圧電素子からなるアクチュエータ、
７は投射レンズ、８は投射レンズの物体面、９はスクリ
ーン、１０はダイクロイックプリズムからなる色分離手
段、１１はミラー、１２はダイクロイックプリズムから
なる色合成手段である。ここでは、カラー表示のために
３個の光変調素子３ａ〜３ｃを用いているが、これら光
変調素子からマイクロレンズアレイ５までの光学的距離
は等しく、且つ３個の光変調素子３ａ〜３ｃはそれぞれ
対応する画素がスクリーン上で重なるように配置されて
いる。本実施の形態における投射型表示装置の構成は、
色分離／合成手段以外は第１の実施の形態の投射型表示
装置と同様である。

【００４０】図８において、光源１から出射した光はコ
リメート変換手段２によりコリメート変換され、色分離
手段１０でＲＧＢの３色に分離される。３色に分離され
た光は、緑（Ｇｒｅｅｎ）の光が光変調素子３ａに入射
し、赤（Ｒｅｄ）の光が光変調素子３ｂに入射し、青
（Ｂｌｕｅ）の光が光変調素子３ｃに入射して、それぞ
れの画像信号に応じた光変調が行われる。光変調素子３
ａから出射したＧｒｅｅｎの光は、色合成手段１２を透
過しそのまま直進する。Ｒｅｄの光は光変調素子３ｂか
ら出射して、色合成手段１２のＲｅｄ光を反射する反射
面で反射される。光変調素子３ｃから出射したＢｌｕｅ
の光は、色合成手段１２のＢｌｕｅ光を反射する反射面
により反射される。これら３色の光が色合成手段１２で
合成されて１つの画像を形成する。光変調素子３ｂ、３
ｃは光変調素子３ａに対して、対応する画素が鏡像関係
にある。色合成手段１２で合成された各光変調素子３ａ
〜３ｃの画像は結像光学系４により対応するマイクロレ
ンズに結像される。マイクロレンズに入射した光は集光
され、離散的な画像が得られる。色合成手段１２で合成
された各光変調素子３ａ〜３ｃの画素とマイクロレンズ
アレイ５の位置関係、及びマイクロレンズアレイ５の動
作は第１の実施の形態と同様であるのでここでは詳細な
説明は省略するが、フィールド信号に同期させて水平／
垂直方向に画素ピッチと同じ距離だけ振動させるように
している。光変調素子３ａ〜３ｃと結像光学系４との間
に色合成手段１２が位置しているので、結像光学系４の
焦点距離は第１の実施の形態に比較して長くする必要が
ある。

【００４１】またカラー表示の場合は、光変調素子３ａ
〜３ｃとマイクロレンズアレイ５との間に色合成手段１
２を配置するので、各光変調素子３ａ〜３ｃからマイク
ロレンズアレイ５までの距離が長くなってしまい、光変
調素子３ａ〜３ｃからの出射光が平行光からずれた場合
に問題となってくる。従って、もし本実施の形態の結像
光学系４がなければ、色合成手段１２の長さが数ｃｍあ
るので、光変調素子３からの出射光の光軸方向からのず
れ角が１０°以下であっても、マイクロレンズアレイ５
に入射するときには光軸からのずれ量は数百μｍとな
り、光変調素子３からの出射光の一部は隣接するマイク
ロレンズに入射してしまうことになる。

【００４２】従来の投射型カラー表示装置では各光変調
素子３ａ〜３ｃの画素数で決まる解像度でしかスクリー
ン９上に表示することができなかったが、本実施の形態
によれば水平／垂直解像度を光変調素子３ａ〜３ｃの画
素数で決まる解像度のそれぞれ２倍の解像度で表示する
ことが可能となる。画像を離散的にする手段としてマイ
クロレンズアレイ５を用いているため、光変調素子３か
らの出射光を遮光させる手段のように光の利用効率を落
とすことはない。また、間隙部の補間をアクチュエータ
６による機械的な振動により行わせているので、偏光板
や画像をシフトさせるための偏光方向を旋回させる液晶
パネル等の光吸収を伴う光学系が色合成手段１２から投
射レンズ７に至る光路上に存在しないため、光の利用効
率を低下させずに明るく高精細な画像を表示できるよう
になる。さらに、結像光学系４を用いているために、各
光変調素子３ａ〜３ｃとマイクロレンズアレイ５との距
離が長くなったとしても、光変調素子３ａ〜３ｃからの
出射光が所定のマイクロレンズにそれぞれ入射すること
ができるので、画像のコントラストを低下させない拡大
カラー表示を行うことができる。

【００４３】

【発明の効果】以上の通り、本発明によれば、光変調素
子の画素数を増やすことなく投射表示画像の高精細化が
可能である。また、本発明においては、光変調素子から
の出射光を遮光させる手段のように光の利用効率を低下
させることはなく、また、アクチュエータによる機械的
な振動で間隙部の補間をしているので、光変調素子から
投射手段に至る光路上に、偏光板や画像をシフトするた
めの偏光方向を旋回させる液晶パネル等の光吸収を伴う
光学系を配置する必要はなく、光の利用効率を低下させ
ずに明るく高精細な画像を表示することが可能となる。

【００４４】また、カラー表示を行わせるための色合成
手段を光変調素子とマイクロレンズアレイとの間に配置
しても、色合成手段とマイクロレンズアレイとの間に結
像光学系を配置するようにしたので、光変調素子からの
平行光でない出射光があったとしても所定のマイクロレ
ンズ以外に入射することがない。従って、スクリーン上
で異なる画像同士が重なってしまうことがないので、画
像のコントラストを低下させない明るい画像を得ること
ができる。

【００４５】また振動手段である圧電素子等のアクチュ
エータは、数μｍ〜数１０μｍの振動振幅、及び数１０
Ｈｚ〜数１００Ｈｚの低い振動周波数で動作するので、
集光手段の移動の切り替え時間を１ミリ秒以下にするこ
とができる。このように十分な応答性を有しているので
画像のコントラストの低下は生じない。

【００４６】さらに本発明で使用する光学部品は、ガラ
ス基板上に作成されたマイクロレンズアレイ、及び圧電
素子等のアクチュエータといった簡単な構造で且つ光変
調素子と同等の大きさ（数ｃｍ程度）であるから、本発
明の投射型表示装置を従来の表示装置とほぼ同じ大きさ
にすることができる。さらに、より高精細な画像表示を
行わせるために画面の分割数を増やした場合でも、水晶
板とＴＮ液晶パネルを用いた従来の表示装置のように画
面分割数に応じて部品点数が増えるようなことはなく、
装置の大きさは従来の装置とほぼ同じにすることができ
る。また本発明で新たに使用する光学部品は高精度で且
つ安価に製造できるので、装置のコストも従来と殆ど変
わることがない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態による投射型表示装
置の基本構成図である。

【図２】本発明の第１の実施の形態による投射型表示装
置のマイクロレンズアレイの斜視図である。

【図３】本発明の第１の実施の形態による投射型表示装
置の光変調素子と凸レンズとの位置関係を示す平面図で
ある。

【図４】本発明の第１の実施の形態による投射型表示装
置の光変調素子から投射レンズ物体面までの光軸に平行
な面の図３Ａ−Ａ’断面での断面図である。

【図５】本発明の第１の実施の形態による投射型表示装
置の１画面を４つの画像に分割したときの投射レンズ物
体面での入射光束の位置関係を示す平面図である。

【図６】結像光学系がない場合の光変調素子からの出射
光がマイクロレンズに集光する位置を示す図である。

【図７】本発明の第１の実施の形態における結像光学系
を用いた場合の光変調素子からの出射光がマイクロレン
ズに集光する位置を示す図である。

【図８】本発明の第２の実施の形態による投射型表示装
置の基本構成図である。

【図９】従来の投射型表示装置の構成を示す説明図であ
る。

【図１０】従来の投射型表示装置の構成を示す説明図で
ある。

【図１１】従来の投射型表示装置により投射された画像
の構成を示す説明図である。

【図１２】従来の投射型表示装置の構成を示す説明図で
ある。

【符号の説明】

１光源２コリメート変換レンズ３光変調素子４結像光学系５マイクロレンズアレイ６アクチュエータ７投射レンズ８投射レンズ７の物体面９スクリーン１０色分離手段（ダイクロイックプリズム）１１ミラー１２色合成手段（ダイクロイックプリズム）１３光供給部１４光変調素子１５光学デバイス１６偏光方向制御用液晶パネル１７水晶板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者藤曲啓志神奈川県足柄上郡中井町境430 グリーンテクなかい富士ゼロックス株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の画素を有する光変調素子で表示され
る画像を投射手段によりスクリーン上に拡大投射する投
射型表示装置において、前記光変調素子から前記スクリーンに至る光路上に位置
し、前記スクリーン上の画像が複数画素毎に分離される
ように、前記光変調素子の複数の画素のうち隣接する
（ｉ×ｊ）画素からの出射光をそれぞれの口径内に含む
複数の凸レンズを隣接配置したマイクロレンズアレイ
と、前記光変調素子と前記マイクロレンズアレイとの間に位
置し、前記光変調素子からの出射光を集光させて前記マ
イクロレンズアレイに結像させる結像光学系と、前記マイクロレンズアレイにより前記スクリーン上で分
離された画像を補間するように、前記スクリーン上の画
像投射領域を変更して前記光変調素子で表示される画像
を投射させる投射領域変更手段とを備え、複数のフィールドで１フレームを構成する時分割表示を
行うことを特徴とする投射型表示装置。
【請求項２】光源からの光を複数の色の光に分離する色
分離手段と、分離された前記複数の色の光をそれぞれ変
調する複数の画素を有する複数の光変調素子と、変調さ
れた前記複数の色の光を合成する色合成手段と、前記複
数の光変調素子で表示されたカラー画像をスクリーン上
に拡大投射する投射手段とを有する投射型表示装置にお
いて、前記色合成手段から前記スクリーンに至る光路上に位置
し、前記スクリーン上の画像が複数画素毎に分離される
ように、前記光変調素子の複数の画素のうち隣接する
（ｉ×ｊ）画素からの出射光をそれぞれの口径内に含む
複数の凸レンズを隣接配置したマイクロレンズアレイ
と、前記色合成手段と前記マイクロレンズアレイとの間に位
置し、前記複数の光変調素子からの出射光を集光させて
前記マイクロレンズアレイに結像させる結像光学系と、前記集光手段により前記スクリーン上で分離された画像
を補間するように、前記スクリーン上の画像投射領域を
変更して前記光変調素子で表示される画像を投射させる
投射領域変更手段とを備え、複数のフィールドで１フレームを構成する時分割表示を
行うことを特徴とする投射型表示装置。
【請求項３】請求項１又は２に記載の投射型表示装置に
おいて、前記結像光学系は、複数のレンズを有し、入射する平行
光を平行光として出射させるアフォーカル光学系である
ことを特徴とする投射型表示装置。
【請求項４】請求項１又は２に記載の投射型表示装置に
おいて、前記投射領域変更手段は、前記マイクロレンズアレイに
入射する光の光軸に直交する面内で、前記光変調素子に
供給されるフィールド信号に同期して前記マイクロレン
ズアレイを所定の移動変化量で移動させることを特徴と
する投射型表示装置。
【請求項５】請求項４記載の投射型表示装置において、前記所定の移動変化量は、前記光変調素子の画素ピッチ
の整数倍に前記結像光学系の倍率を乗じた量であること
を特徴とする投射型表示装置。